整理C++模板的语法

2024-09-06 23:38
文章标签 模板 c++ 整理 语法

本文主要是介绍整理C++模板的语法，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

C++模板

【模板】 是C++实现泛型编程的一种手段。泛型编程的目的，说白了就是对逻辑进行“复用”来减少重复。换句话说：它将针对于特定类型的逻辑，抽象成了纯粹的逻辑，这样就可以适用于广泛的类型。当然，越抽象的东西是越难理解，C++【模板】的理解成本自然不低。最近在看UE4代码时也遇到了大量关于模板的花式使用，很令我头疼。不过我明白，再复杂的使用，也是基于一些最简单的语法规则的，因此我想有必要总结下C++模板的语法，以帮助我阅读那些“高级”的代码。

主要的参考是官方文档：《模板 (C++) | Microsoft Docs》。不过我想用自己的思路来整理这些知识。

模板牵扯到的问题

概括来讲，问题分为两方面：“定义模板”，“使用模板”

定义模板的主要问题：

1）模板参数如何指定？
模板参数可以看做是一种类型的“占位符”。但是，C++语法中，这里的模板参数还有更高级的用途，随后讨论。

2）模板的特化
有时候，想让逻辑适应于一个“广泛”的情况，但是想让这个逻辑在“特定”情况下有特别的表现，这时候就可以就需要模板特化。

使用模板的主要问题：

1）省略模板参数让其自动推导
在一些情况下，模板的参数是可以推导出来的，此时就不必显式地指定模板参数了。

2）编译器将选择哪个版本的模板？
有时候，会有超过一种的模板符合格式。此时，编译器将会基于一定的规则去选择。使用者必须知道这个规则，这样才能确保调用到想要的那个版本。

虽然，接下来可以按照上面的问题来逐个讨论具体的细节，但也可以按照“从易到难、从简到繁”的语法点来讨论，我觉得这样更有利于未来的查阅和理解，因此我选择后者。

1. 类型参数

这是C++模板最简单的一个使用：

#include<iostream>
using namespace std;template <typename T>
T min(T a, T b)
{return a < b ? a : b;
}int main()
{cout << min<float>(4.3, 9.6) << endl;
}

输出：

4.3

在这个例子中，T是一个模板参数，更精确来讲是一个类型参数，而min就是一个“模板函数”，实现了一个得到二者中较小值的逻辑。

在此情境中，class和typename等价。因此以下的语句是等价的：

template <class T>

2. 类型参数的自动推导

在上例中，<float>其实是可以省略的，因为函数参数的类型编译器是知道的，那么就可以推导出模板参数也是这个类型，所以使用时可以省略：

int main()
{cout << min(4.3, 9.6) << endl;
}

3. 非类型参数（值参数）

C++中的模板参数并不一定是类型参数，还有可能是非类型参数（值参数），例如：

template <int value>
void Test()
{cout << value << endl;
}int main()
{Test<3>();
}

输出：

3

看起来和一般函数的“参数”类似，但是实际它将受到很大的限制：
1）必须是编译时常量
这很自然，毕竟C++模板是在编译时实例化的，是“静态”的。
如果尝试挑战这个限制，比如调用函数得到结果，则会报错：
在这里插入图片描述
2）类型上受限制
int、bool、enum经试验是可以的。
但并不是所有类型都可以使用，比如使用float，就会报错：
在这里插入图片描述
自定义的结构体/类更是不行
在这里插入图片描述
但是指针是可以的，例如：

struct MyStruct
{
};template <MyStruct* value>
void Test()
{
}

这方面我并没有找到权威文档完整描述什么是可以什么是不行的，唯一的描述在这个官方文档中：

与其他语言（如 c # 和 Java）中的泛型类型不同，c + + 模板支持非类型参数（也称为值参数）。 例如，你可以提供常量整数值来指定数组的长度。其他类型的值（包括指针和引用）可以作为非类型参数传入。 例如，你可以传入指向函数或函数对象的指针，以自定义模板代码内的某些操作。

4. 模板参数的默认

类型参数和非类型参数都可以指定默认值，如：

struct MyStruct
{char a;char b;
};template <typename T = MyStruct, int Value = 8>
void test()
{cout << sizeof(T) << endl;cout << Value << endl;
}int main()
{test();
}

输出：

2
8

上例中，使用test()时并没有指定模板参数，因此使用了默认值，输出了MyStruct的尺寸：2，和Value的默认值8。

5. 模板的特化

template <typename T >
void test(T t)
{cout << "泛化版本" << endl;
}template <>
void test<int>(int t)
{cout << "int特化版本" << endl;
}int main()
{test(3.3f);test('c');test(3);
}

输出：

泛化版本
泛化版本
int特化版本

在这个例子中，一般的模板函数定义之后，还专门对int这种类型定义了一个“特别”的版本，这就是模板特化。

6. 与非模板函数的选择

当有一个语句同时和“模板函数”与一个“非模板函数”都匹配，则编译器会选择那个“非模板函数”，因为它认为这个“非模板函数”更专业，更匹配于特定想要解决的问题。除非特别地使用模板的语法来显式调用。详见下例：

template <typename T >
void test(T t)
{cout << "泛化版本" << endl;
}template <>
void test<int>(int t)
{cout << "int特化版本" << endl;
}void test(int t)
{cout << "非模板test函数" << endl;
}int main()
{test(3.3f);test('c');test(3);test<int>(3);
}

输出：

泛化版本
泛化版本
非模板test函数
int特化版本

此问题其实是一个函数重载问题，在官方文档中也有讨论这个问题。

7. 类模板

模板类和模板函数类似：

template <typename T >
class TestClass
{
};

在一个模板类中的函数都视作是模板函数：

template <typename T >
class TestClass
{void test();
};template<typename T > 
void TestClass<T>::test()
{
}

就算函数中没有用到模板参数相关的内容，也必须指出模板参数，否则会报错：
在这里插入图片描述

模板类中的函数还可以额外再指定模板参数：

template <typename T >
class TestClass
{template <typename U >void test();
};template <typename T > template <typename U >
void TestClass<T>::test()
{
}

8. 依赖模板参数的名称解析

“依赖模板参数的名称” 主要包括：

1）模板类型参数本身：

T

2）模板类型参数命名空间的类型：

T::myType

2）基于依赖类型的指针、引用、数组或函数指针类型：

T *, T &, T [10], T (*)()

…）
此部分更完整的讨论可参考《模板和名称解析 | Microsoft Docs》和《依赖类型的名称解析 | Microsoft Docs》这两个官方文档。

下面是实例：

struct MyStruct
{int data;struct InnerStruct{float data2;};
};template<typename T>
void test()
{T value;T* ptr;value.data = 3;typename T::InnerStruct value2;value2.data2 = 3.3f;
}int main()
{test<MyStruct>();
}

9. 模板作为模板参数

模板也可以作为另一个模板的模板参数。
例如：

template<typename T, typename U>
class MyStruct
{
public:T v1;U v2;void func(){cout << v1 << endl;cout << v2 << endl;}
};template<typename T, template<typename, typename> typename S>
void test(T value)
{S<T, float> s;s.v1 = value;s.v2 = 6.9f;s.func();
}int main()
{test<int, MyStruct>(3);
}

输出：

3
6.9

上例中，MyStruct这个模板类作为了test()这个模板函数的第二个模板参数。

10. 模板的“专业程度”

当有超过1个模板可以匹配时，编译器会选择 “专业程度” 最高的版本。

“专业程度”的高低可以这样判断：
设满足T1模板参数的所有有效参数类型为集合1，设满足T2模板参数的所有有效参数类型为集合2，如果集合1是集合2的子集，则表明T1模板参数的“专业程度”更高。

依照这个定义，很自然能明白模板特化版本的“专业程度”比一般的版本更高，因为它有效的参数类型只有一个。
除此之外，也能自然明白：

  • T*的专用化比T更高。因为：X*类型是T模板参数的有效参数，但X不是T*模板的有效参数。
  • const T比T更专业化。因为：const X是T模板参数的有效参数，但X不是const T模板的有效参数。
  • const T*比T*更专业化。因为：const X*是T*模板参数的有效参数，但X*不是const T*模板的有效参数。
template <class T> void f(T) {cout << "普通版本" << endl;
}template <class T> void f(T*) {cout << "指针版本" << endl;
}template <class T> void f(const T*) {cout << "常量指针版本" << endl;
}int main() {int i = 0;int *pi = &i;const int *cpi = pi;f(i);   f(pi);  f(cpi); 
}

输出：

普通版本
指针版本
常量指针版本

此部分在官方文档《函数模板的部分排序 (C++) | Microsoft Docs》有更多讨论。

11. 不定数目参数

使用...可以表示不定数目（0到n）的模板参数：

template<typename... Arguments> class VATClass
{
};int main() 
{VATClass< > instance1;VATClass<int> instance2;VATClass<float, bool> instance3;
}

上例可以通过编译，但没有实用，毕竟这个类的定义是空壳。官方文档提到了这个语法，但并没有展示其实际使用的场合。

我在《C++ －－ variadic template （可变参数模板） - 唐风思琪 - 博客园》这篇博客中学到了更多的知识。概括来讲，是一个 “递归” 的思路，同时还要了解 “模板特化” 这个概念。
先看代码：

template<typename...Args> class VATClass;//递归关系：
template<typename LArg, typename... RArg>
class VATClass<LArg, RArg...> : public VATClass<RArg...> 
{
public:LArg data;
};//最底层的定义：
template<> 
class VATClass<>
{
};int main() 
{VATClass<int, char, double> instance;cout << sizeof(instance) << endl;
}

输出：

24

它等价于：

class EqualClass0
{
};
class EqualClass1 : public EqualClass0
{
public:double data;
};
class EqualClass2 : public EqualClass1
{
public:char data;
};
class EqualClass3 : public EqualClass2
{
public:int data;
};int main() 
{EqualClass3 instance;cout << sizeof(instance) << endl;
}

输出：

24

下面梳理一下这其中编辑器的逻辑：

  1. 首先，对于VATClass<int, char, double>：编译器找到的最“专业”的版本是：class VATClass<LArg, RArg...> : public VATClass<RArg...>。这意味着，它的父类是VATClass<char, double>。
  2. 然而，对于VATClass<char, double>：编译器找到的最“专业”的版本还是：class VATClass<LArg, RArg...> : public VATClass<RArg...>。这意味着，它的父类VATClass<double>。
  3. 接下来，对于VATClass<double>：编译器找到的最“专业”的版本又是：class VATClass<LArg, RArg...> : public VATClass<RArg...>。这意味着，它的父类是VATClass<>。
  4. 最后，对于VATClass<>：编译器找到的最“专业”的版本终于变了，是特化的版本template<> class VATClass<>。

12. 源代码组织

对于非模板的“类”和“函数”。通常的做法是在h文件中书写定义，然后在cpp文件中实现。然而对于模板“类”和“函数”是不行的，因为编译器在实例化模板前，不会产生任何内容。

为此，最简单、最常见的方法是将实现直接放入h文件本身。当然，这样的编译时间会较长。但也有方法减少编译时间——“显式实例化模型”，不过前提是需要明确知道将用于实例化模板的类型集。（此部分详见官方文档《源代码组织（C++ 模板） | Microsoft Docs》）

13*. 本地名称有冲突

《本地声明名称的名称解析 | Microsoft Docs》中指明了，与本地的名称冲突时的情况。

14*. 非类型模板参数的类型推导

官方文档里还说明了非类型模板参数的类型推导。但目前我还不太理解实用场合。

15*. 其他水到渠成的概念

还有一些概念，虽然官方有介绍，但是我觉得理解起来比较容易，属于“水到渠成”的概念：

  • 嵌套类模板。详见《类模板 | Microsoft Docs》
  • 模板朋友。详见《类模板 | Microsoft Docs》
  • 重用模板参数。详见《类模板 | Microsoft Docs》

总结

更系统与细节地梳理下这篇博客中讨论的问题：
在这里插入图片描述

这篇关于整理C++模板的语法的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1143442。

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